機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置誤動(dòng)作原因分析與防范措施

五凌電力有限公司 郭 磊

2018年5月5日某水電廠上游水位240.41m、下游水位189.82m、機(jī)組毛水頭50.59m、機(jī)組額定水頭54m。12時(shí)28分該電廠#3機(jī)按發(fā)電計(jì)劃準(zhǔn)備停機(jī)，機(jī)組負(fù)荷由160MW減至109MW，在109MW負(fù)荷下停留大概1分鐘時(shí)間，此負(fù)荷區(qū)域在當(dāng)時(shí)機(jī)組水頭情況下為振動(dòng)區(qū)。12時(shí)29分監(jiān)控系統(tǒng)操作員報(bào)“F3推力擺度二級(jí)報(bào)警動(dòng)作”、“F3故障錄波告警啟動(dòng)動(dòng)作”、“F3調(diào)速器系統(tǒng)開(kāi)度模式復(fù)歸”、“F3機(jī)械轉(zhuǎn)速n〉160%Ne（水機(jī)保護(hù)）動(dòng)作”、“F3水機(jī)保護(hù)動(dòng)作動(dòng)作”、“F3緊急事故停機(jī)動(dòng)作”告警，#3機(jī)走緊急事故停機(jī)流程正常。#3機(jī)停穩(wěn)后電廠組織各專(zhuān)業(yè)人員對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全面檢查，檢查發(fā)現(xiàn)#3機(jī)機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置處于動(dòng)作位置（脫扣器處于脫扣位置），其他各部位未見(jiàn)異常。

1 機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)和原理

該電廠機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置為ALSTOM生產(chǎn)的DEVSS系列。它由脫扣器、配壓閥、離心探測(cè)器、配重塊、安裝環(huán)及其附件組成，該電廠機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置脫扣器和配壓閥安裝在下機(jī)架上。該系列機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置的工作原理為：當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到整定值，作用在離心探測(cè)器（圖2）離心塊上的離心力大于彈簧預(yù)緊力，離心塊向外動(dòng)作撞擊脫扣器擺輪，脫扣器脫扣，使其在彈簧作用下旋轉(zhuǎn)（圖3），系統(tǒng)安裝有配壓閥，凸輪通過(guò)牽引作用于配壓閥的棘輪，切換機(jī)組調(diào)速器控制油路[1,2]。

該系列機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置與該水電廠調(diào)速器控制油路配合控制原理：圖1為機(jī)組正常情況下的控制油路，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于160%Ne，機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置動(dòng)作，切換過(guò)速保護(hù)裝置的配壓閥控制回路，使接通事故配壓閥右側(cè)控制腔的壓力油路切換為接通至漏油箱（與大氣連通），也即事故配壓閥控制腔油壓由6.3MPa變?yōu)?，事故配壓閥閥芯在左側(cè)恒壓腔油壓作用下向右側(cè)移動(dòng)，使接力器關(guān)機(jī)腔直接通入壓力油，開(kāi)機(jī)腔接通至回油箱，接力器向關(guān)機(jī)側(cè)運(yùn)動(dòng)，控制機(jī)組導(dǎo)葉全關(guān)切斷機(jī)組動(dòng)力水源，實(shí)現(xiàn)限制機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升、防止機(jī)組飛逸目的。

圖1 機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置控制原理圖

2 原因分析

#3機(jī)帶109MW負(fù)荷運(yùn)行，如機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置正確動(dòng)作，也就是機(jī)組轉(zhuǎn)速確實(shí)到達(dá)了160%Ne，則機(jī)組必然有一個(gè)升速過(guò)程，該電廠有“轉(zhuǎn)速大于115%Ne+主配拒動(dòng)”和“電氣轉(zhuǎn)速大于155%Ne”水機(jī)保護(hù)設(shè)置，數(shù)據(jù)庫(kù)中包含“F3機(jī)組轉(zhuǎn)速＞115%Ne”和“F3電氣轉(zhuǎn)速＞155%Ne”這兩個(gè)掃查開(kāi)入量，在機(jī)組升速至160%Ne過(guò)程中必然會(huì)先后觸發(fā)“F3機(jī)組轉(zhuǎn)速＞115%Ne動(dòng)作”和“F3電氣轉(zhuǎn)速＞155%Ne動(dòng)作”告警，但電廠仔細(xì)查詢(xún)監(jiān)控系統(tǒng)操作員站報(bào)警信息一覽表，發(fā)生事故發(fā)生時(shí)僅有“F3機(jī)械轉(zhuǎn)速n〉160%Ne（水機(jī)保護(hù)）動(dòng)作”告警，而沒(méi)有“F3機(jī)組轉(zhuǎn)速＞115%Ne動(dòng)作”和“F3電氣轉(zhuǎn)速＞155%Ne動(dòng)作”告警。

查詢(xún)#3機(jī)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)跳閘前那段時(shí)間的機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線，未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速有上升現(xiàn)象。且如機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至160%Ne，據(jù)發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程E=Blv，在勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B未突變和機(jī)組定子線棒長(zhǎng)度l不變情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速V上升，機(jī)端電壓會(huì)有一個(gè)上升過(guò)程，電廠查詢(xún)#3機(jī)在發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)跳閘前那段時(shí)間的機(jī)端電壓曲線，是一段平穩(wěn)直線，并未見(jiàn)有上升階段。經(jīng)以上綜合分析可斷定#3機(jī)轉(zhuǎn)速在機(jī)組發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)跳閘前并未真實(shí)到達(dá)160%Ne，也即機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置屬于誤動(dòng)作。

機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置誤動(dòng)作原因有幾種可能：人為誤碰導(dǎo)致的誤動(dòng)作；過(guò)速保護(hù)裝置定值漂移誤動(dòng)作；裝置本身在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中誤動(dòng)作：

人為誤碰導(dǎo)致的誤動(dòng)作。事故發(fā)生時(shí)的時(shí)間為中午12時(shí)29分，電廠除中控室有1個(gè)運(yùn)行人員值班外其余員工均已下班。查看電廠工作票及詢(xún)問(wèn)各專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人，并沒(méi)有開(kāi)展或臨時(shí)安排有關(guān)#3機(jī)的任何工作。當(dāng)時(shí)#3機(jī)組雖處于準(zhǔn)備停機(jī)減負(fù)荷階段但仍處于運(yùn)行狀態(tài)，且該電廠機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置脫扣器和配壓閥安裝在下機(jī)架上，人員在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)入風(fēng)洞再到下機(jī)架上去人為觸動(dòng)機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置脫扣器的可能性極小。因此可排除人為誤碰誤動(dòng)作這種可能。

過(guò)速保護(hù)裝置定值漂移誤動(dòng)作。該電廠離心探測(cè)器設(shè)定值為160%Ne動(dòng)作，此定值是在工廠內(nèi)根據(jù)訂貨參數(shù)進(jìn)行整定和試驗(yàn)。除非離心探測(cè)器彈簧嚴(yán)重老化，不可能定值漂移量這么大，在機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下即動(dòng)作，電廠將離心探測(cè)器拆下后拆解檢查，發(fā)現(xiàn)彈簧并未老化。將離心探測(cè)器送至第三方省電力科學(xué)研究院檢測(cè)試驗(yàn)，探測(cè)器按照整定值動(dòng)作正常。這樣也就排除了裝置定值漂移的可能性。

裝置本身在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中誤動(dòng)作。裝置本身誤動(dòng)作可能由幾種原因?qū)е拢?/p>

下機(jī)架振動(dòng)過(guò)大，直接導(dǎo)致脫扣器因振動(dòng)脫扣。電廠手動(dòng)復(fù)歸脫扣器后，用橡皮錘用力敲打脫扣器外殼，模擬比機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)脫扣器所受到的振動(dòng)值強(qiáng)很多倍的狀況，脫扣器紋絲不動(dòng)、并未脫扣，說(shuō)明脫扣器工作可靠，不可能因自身振動(dòng)原因?qū)е旅摽壅`動(dòng)作。

裝置緊固件松動(dòng)，導(dǎo)致脫扣器擺輪外圓最外側(cè)點(diǎn)與離心探測(cè)器離心塊頂點(diǎn)間的間隙距離變小，離心探測(cè)器離心塊在未甩出情況下與脫扣器擺輪誤碰撞。電廠仔細(xì)查看安裝環(huán)緊固螺栓連接牢固無(wú)松動(dòng)，安裝環(huán)緊固在大軸上，檢查安裝塊與離心探測(cè)器連接牢固無(wú)松動(dòng)，檢查脫扣器和配壓閥與安裝支架連接牢固無(wú)松動(dòng)，安裝支架牢固焊接在機(jī)組下機(jī)架上，且通過(guò)塞尺測(cè)量脫扣器擺輪外圓最外側(cè)點(diǎn)與離心探測(cè)器離心塊頂點(diǎn)之間的間隙距離為1.5mm，與原始安裝值相比并沒(méi)有變化，因此排除了間隙距離變小的可能。

離心探測(cè)器和脫扣器振擺過(guò)大，某一時(shí)刻兩側(cè)振擺值疊加超過(guò)間隙距離導(dǎo)致離心探測(cè)器離心塊在未甩出情況下與脫扣器擺輪誤碰撞。電廠通過(guò)#3機(jī)振擺檢監(jiān)測(cè)裝置調(diào)取事故發(fā)生時(shí)段的#3機(jī)各部位振擺數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)#3機(jī)在減負(fù)荷至109MW時(shí)，推力軸承Y向擺度（反應(yīng)推力軸承處大軸Y向擺度）和下機(jī)架Y向振動(dòng)值同比正常運(yùn)行值增大約3倍，推力軸承Y向擺度最大值由正常負(fù)荷時(shí)的270μm升至1311μm，下機(jī)架Y向振動(dòng)最大值由正常負(fù)荷時(shí)的38μm升至320μm。離心探測(cè)器與大軸相連接，脫扣器與下機(jī)架相連接，也即當(dāng)時(shí)離心探測(cè)器的Y向擺度最大值為1311μm，脫扣器Y向振動(dòng)最大值為320μm。若某一時(shí)刻，在振擺最大值時(shí)離心探測(cè)器與脫扣器相向振擺，則相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離為1631μm，按照安裝要求，脫扣器擺輪外圓最外側(cè)點(diǎn)與離心探測(cè)器離心塊頂點(diǎn)之間的間隙距離為1.5mm也即1500μm，這時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離大于間隙距離就有可能導(dǎo)致離心探測(cè)器離心塊在未被甩出的情況下與脫扣器的擺輪發(fā)生碰撞導(dǎo)致過(guò)速保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

經(jīng)以上分析已基本可斷定，該電廠機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置誤動(dòng)作的原因?yàn)椋弘x心探測(cè)器和脫扣器在機(jī)組處于振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)振擺過(guò)大，某一時(shí)刻兩側(cè)最大振擺值疊加超過(guò)間隙距離導(dǎo)致離心探測(cè)器離心塊在未甩出情況下與脫扣器擺輪誤碰撞。

3 防范措施

針對(duì)機(jī)組在振動(dòng)區(qū)大軸擺度過(guò)大的情況，應(yīng)利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)對(duì)機(jī)組軸線進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)組軸線與旋轉(zhuǎn)中心線盡量重合，減小機(jī)組運(yùn)行時(shí)的擺度值，特別是減小機(jī)組運(yùn)行于振動(dòng)區(qū)時(shí)的擺度值；運(yùn)行人員要了解機(jī)組運(yùn)行特性，熟悉機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分，在調(diào)整機(jī)組負(fù)荷時(shí)盡量快速穿越振動(dòng)區(qū)，減少機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)間，減小機(jī)組大軸擺度最大值和下機(jī)架振動(dòng)最大值疊加的幾率。

可根據(jù)第三方對(duì)離心探測(cè)器所做試驗(yàn)的結(jié)果，參考離心塊的甩出長(zhǎng)度適當(dāng)調(diào)大脫扣器擺輪外圓最外側(cè)點(diǎn)與離心探測(cè)器離心塊頂點(diǎn)間的間隙距離，機(jī)組即使長(zhǎng)時(shí)間在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，振擺最大疊加值也不會(huì)超過(guò)此間隙距離，保證在非過(guò)速情況下離心塊不可能碰到脫扣器擺輪，已有其他水電廠采用過(guò)3mm。但這種調(diào)整應(yīng)首先保證過(guò)速保護(hù)裝置可以可靠動(dòng)作，應(yīng)利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)做過(guò)速試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其能在整定值可靠動(dòng)作后再確定調(diào)整；改善脫扣器與安裝支架間的連接工藝，由原來(lái)的直接硬性連接改為中間加一層橡膠墊的軟性連接，利用橡膠墊的吸振作用減小脫扣器在機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振擺量。

該電廠通過(guò)采取以上防范措施，從上次誤動(dòng)至今未再發(fā)生類(lèi)似情況，說(shuō)明以上防范措施可行有效。